Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

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Die Ultraschall-Interferometrie erfordert eine genaue
Messung der Probenlänge unter In-Situ-Bedingungen,
weil das Interferenz-Muster nicht nur von der Wellengeschwindigkeit
in der Probe, sondern auch von der
Probenlänge abhängt. Ein die brillante Synchrotron-
Strahlung nutzendes Röntgen-Bild-Verfahren, genannt
X-Radiographie, erzeugt, ähnlich wie bei der medizinischen
Röntgendiagnostik, schwarz/weiße Halbtonbilder
der Probe unter In-Situ-Bedingungen durch Umwandlung
eines Röntgenbildes in ein sichtbares optisches Bild mit
Hilfe der Fluoreszenz eines Ce-YAG-Kristalls. Dieses Bild
wird durch einen Spiegel aus der Richtung des Röntgenstrahls
abgelenkt und von einer CCD-Kamera aufgenommen.
Auch dieses Verfahren benötigt nur einige Sekunden.
Um quantitative Informationen aus dem Röntgenbild zu
erlangen, wird es mit Hilfe digitaler Bildbearbeitung ausgewertet.
Weil die X-Radiographie einen viel größeren
Strahldurchmesser als die Röntgenbeugung erfordert,
wurde die ursprünglich feste Primärblende der MAX80
gegen eine 4-Blatt-Präzisions-Blende ausgetauscht.
Eine Auswahl der neuesten Ergebnisse zum nicht quenchbaren
Hoch-P/Niedrig-P-Klinoenstatit-Phasenübergang,
zum Quarz-Coesit-Phasenübergang, zur standard-freien
Druckmessung und zu innovativen Druck-Erzeugungs-
Methoden werden vorgestellt, um das gegenwärtige und
zukünftige Potential der Hochdruck-Geomaterial-Forschung
mit Synchrotronstrahlung am DESY, Hamburg zu
demonstrieren.
Einleitung
1864 beschrieb Jules Verne in seinem weltberühmten
Roman „Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ phantasievoll
eine Reise ins Innere unseres Heimatplaneten. Sie
beginnt mit einem Einstieg in den Krater des isländischen
Vulkans Snaefellsjökull. Nachdem die Reisenden unterirdische
Flüsse und Meere befahren hatten, gelangten sie
unfreiwillig durch eine Sprengung in den Schlot des gerade
ausbrechenden Vulkans auf der Insel Stromboli. So
kehrten sie, weit vom Einstiegsort auf Island entfernt, zur
Oberfläche zurück. Kürzlich war in den Medien eine mehr
technologische Variante einer solchen Reise zu sehen.
Wahrscheinlich vom Bathyscaph Trieste inspiriert, der
1960 mit einer zweiköpfigen Besatzung im Marianengraben
die Rekordtiefe von 10.740 m erreicht hatte, sollte
eine massive Kapsel die Insassen vor Druck und Temperatur
im Erdinneren schützen. Um das Eindringen zu
ermöglichen, sollte das Material um die Kapsel mit Hilfe
starker Laser geschmolzen werden. Beide Varianten sind
anregend, technisch und wissenschaftlich so jedoch nicht
möglich. Dennoch enthalten beide einen Kern von Wahrheit.
Wie wir heute ziemlich sicher wissen, ist Wasser im
Erdmantel in weit größerer Menge als in den Weltmeeren
vorhanden. Aus der seismischen Tomographie und der
Geochemie wissen wir von Transportvorgängen riesigen
Ausmaßes mittels Subduktion zu großen Tiefen bis an die
Kern-Mantel-Grenze, also bis zu 3000 km Tiefe, und entsprechendem
Rücktransport zur Oberfläche, z. B. in Plumes.
Der Mantel ist in seinem Aufbau und in seiner Mineralogie
also keineswegs einfach und homogen, wie lange
angenommen worden war. Es gibt erhebliche stoffliche,
strukturelle und energetische Wechselwirkungen mit der
Kruste und an der Kern-Mantel-Grenze. Die Plattentektonik
ist das Ergebnis dynamischer Prozesse im Erdinneren.
Ohne Verständnis der Dynamik des Mantels, d. h. der
treibenden Kräfte hinter der beobachteten Kinematik,
bleibt Krusten-Forschung zu Teilen nur empirisch und
deskriptiv. Auch in naher Zukunft verfügbaren Tiefendaten
planetarer Nachbarn sind eine weitere Chance und
Herausforderung für die geowissenschaftliche Materialforschung
bei extremen Drücken und Temperaturen. Die
Erforschung des „Systems Erde“ ist undenkbar ohne die
wissenschaftliche Erkundung des Erd-Mantels in seiner
vollen Ausdehnung bis hin zur Kern-Mantel-Grenze.
Welchen Zugang haben wir nun wirklich zum Erdinneren?
Der direkte Zugang mittels Tiefbohrungen endet in
ca. 15 km Tiefe. Diese Grenze ergibt sich in erster Linie
aus der Temperaturzunahme. Die Spülungszirkulation, die
nicht nur die Kühlung sondern auch insbesondere den
Antrieb der Downhole-Motoren bewirkt, stößt an technologische
Grenzen. Wegen zunehmender Torsion des Bohrstranges
ist der Antrieb der Bohrwerkzeuge von der Oberfläche
her nur für geringere Teufen einsetzbar. Die Natur
hilft uns um den Preis einer gewissen Mehrdeutigkeit noch
ein Stück weiter. Natürliche Exhumierung vordem subduzierter
Gesteine ist bis etwa 30 bis 40 km Tiefe nachgewiesen
worden. Neuerdings fand man mikrodiamanthaltige
Gesteine aus wahrscheinlich sogar etwa 200 km
Tiefe. In den zur Gewinnung von Natur-Diamanten abgebauten
Kimberlit-Pipes wurden die Diamanten vermutlich
in wenigen Stunden aus 150 bis 300 km Tiefe mittels Eruption
an die Oberfläche gebracht. Nach Stand des Wissens
gibt es keine kristallinen Proben aus größerer Tiefe. All
unser „tieferreichendes“ Wissen gründet sich weitgehend
auf indirekte Beobachtungen, v.a. seismische Daten, d. h.
Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, Beugung
und Reflexion von elastischen Wellen, die, ausgelöst von
Erdbeben weltweit, den gesamten Erdkörper durchwandern.
Das Ergebnis ist aber konkret nur die Verteilung der
elastischen Eigenschaften in der Erde. Eine direkte strukturell-stoffliche
Aussage ist nicht möglich. Dazu kann man
nur durch die Kombination von experimenteller Simulation
der Bedingungen in großer Tiefe und interdisziplinäre
irdischer und planetarer Beobachtungen kommen. Deshalb
ist es von erstrangiger Bedeutung, unter den experimentell
simulierten In-Situ-Bedingungen (In-Situ bedeutet
am Ursprungsort, d. h. Untersuchungen bei Bedingungen,
die denen der Natur entsprechen) gleichzeitig die
elastischen Eigenschaften und die Strukturdaten zu messen,
um über den Vergleich mit den seismischen Daten aus
großer Tiefe zu einer stofflich-strukturellen Aussage zu
kommen.
Anders als bei der klassischen Quench-Methode, d. h. der
strukturellen Untersuchung von Hochdruck-Proben nach
dem Versuch, außerhalb ihres eigentlichen Stabilitätsbereiches
unter Nutzung der Metastabilität, arbeitet die
moderne Mineralphysik in Echtzeit und unter In-Situ-
Bedingungen. Ultraschall-Interferometrie erlaubt die Messung
der elastischen Eigenschaften von kleinen Proben
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